商用ZigBee軟體套件助攻　物聯網裝置開發更有效率

網際網路涉及的範圍與規模將發生重大改變。業界預測到2015年連接到網際網路的裝置數量將超過一百五十億個節點，到2020年將超過五百億個節點。而嵌入式行業面臨的挑戰是如何開啟日益增長的網際網路價值，此網路通常稱為物聯網(IoT)。

網路節點為物聯網發展基礎

圖1　梅特卡夫定律示意圖

根據梅特卡夫(Metcalfe)定律，網路的價值等於網路節點數的平方(圖1)。物聯網的邊緣是每天都在使用的電器和裝置。這些「物」透過採用ZigBee、sub-GHz、無線區域網路(Wi-Fi)或電力線通訊(PLC)等連接的基礎設施或骨幹網路相互聯繫，網際網路提供可靠的雙向通訊鏈路，具備相對較長的傳輸距離、較低的快速回應延遲、低功耗和夠快的資料傳輸速率，可從許多連接裝置匯聚資訊。此基礎設施也可以作為連接到網際網路的閘道，支援其他網路、公用事業公司和終端用戶對裝置進行遠端監控與控制。

然而，物聯網中主要的連接裝置是位於網路所謂的「最後一吋」(Last Inch)節點。這些節點包含微控制器(MCU)、無線裝置、感測器和執行器，它們是物聯網的大腦、眼睛和手指。物聯網的目標不應該是用戶與所有裝置連接，換句話說，用戶並不希望監視遍及家中的五十多個感測器，查看是否空調打開時窗戶也開著。物聯網目標應該是不僅能收集重要資訊，並且裝置間可以相互通訊及做出決策。

為物聯網實現裝置互連應用所面臨的挑戰與傳統網路連接裝置的挑戰大為不同。例如，照明和家電原始設備製造商(OEM)除了其自身的核心功能外，還要為用戶引入新的網路、無線和嵌入式軟體技術。他們需要自行開發以上技術，或者與一些生產可輕鬆加入系統的產品之供應商合作。

由於通常只有少量資料須要在裝置間進行傳輸，因此類似ZigBee的可靠且具有成本效益的無線通訊協定是理想的選擇。因為裝置通常無法連接電源，所以電源效率非常關鍵，須要在沒有維護或不能更換電池的情況下，藉助能源收集裝置或電池工作數年。開發人員還需要考慮其他因素，例如成本、元件數量、微控制器性能、系統規模、標準、互操作性、安全性、易用性和和現場故障排除能力。最後，軟體必須能夠橋接裝置、匯集感測器資料，並以直觀的方式透過顯示器為終端用戶顯示資訊，或透過網際網路傳遞到用戶的電腦、平板電腦或智慧型手機。

物聯網發展蓬勃

智慧電表(Smart Meter)是物聯網應用中的一個典型範例。除了簡單地測量功耗外，智慧電表讓電力公司與客戶幾乎即時通訊，或透過預選定程式通訊，可以在用電高峰時段主動關閉運行的如空調等的高負荷電器。這種做法的好處在於為用戶節省電費，為電力公司減輕負荷，電力公司毋須為一年中僅有的幾天電力供應吃緊而投資新的發電廠。

智慧電表只是新興智慧家居中的應用之一。除了能夠共用電腦文件和多媒體內容外，互連的家居網路也能夠支援安全、監控和自動化應用等，包括智慧照明、智慧家電和其他裝置。即使只有幾個感測器，如溫度感測器、動作感測器、濕度感測器、光照感測器、玻璃破損感測器等，也能夠構建一個強大的網狀網路，提高所有與其相連的裝置之能力。

實際上，物聯網可以為工業自動化、照明控制、家庭/樓宇自動化、安全和監控、衛生和保健，以及農業應用等帶來極大的好處，這裡僅列舉幾個例子(圖2)。物聯網提供與裝置進行互動的新途徑，例如能夠進行通訊及控制家庭和公司中的感測器和照明；最近出現的app-cessory一詞，即用來形容用戶智慧型手機上的應用程式。

圖2　ZigBee應用市場演進情形

梅特卡夫定律中有這樣一類應用，其裝置在獨立安裝時沒有實用價值，而當它們應用到現有基礎設施時，卻能夠實現極大價值。例如，如何減少家庭和公司的「電能吸血鬼」。電能吸血鬼指的是諸如電視和機上盒等裝置，沒有使用時卻仍然消耗不少電量。據專家估計，電能吸血鬼占家庭總用電量的7%～15%。若家庭用戶特地安裝動作感測器來檢測是否有人在房間，並據此關閉電視或機上盒的電源，顯然成本過高。然而，如果電視機能夠利用已經安裝在家居安全系統中的動作感測器，則可以低成本的方式管理電能吸血鬼。

利用感測器提升系統價值

家居安全系統中的感測器還可以廣泛應用於其他應用。例如，將照明連接到系統，當有人進入房間時開啟照明，當房間沒人時自動關閉照明；現有的系統也可以進行擴展，例如將低成本的濕度感測器添加到安全系統，由此自動開啟和關閉淋浴後的排氣風扇。不同系統之間的相互作用可以為用戶帶來許多好處：

‧	更高效率
	裝置連接到物聯網時，可以確定最佳的時間來運行，例如烘乾機可以等到高峰時段過後再運行，以降低用電成本。

‧	積極使用
	當用戶下班準備回家時，可以提前設置空調的運行。如果回家晚了，系統將按照房間無人的模式運行。智慧家居系統，例如Lowes的Iris系統與AlertMe的智慧能源系統，能夠遠端控制溫度控制系統，終端用戶可以通知其家居系統進行用途轉換，進而達到更高的運行效率。系統在必要時還可以透過簡訊方式與屋主進行通訊。

‧	主動維護
	智慧設備可監控其運行狀況是否良好，並在故障發生前告知用戶或原始設備製造商潛在的問題。例如，一台洗碗機可能會在某個時間如三個月內，就表現出些微耗損疲乏而導致失常，原始設備製造商在被自動通知後，可以採用新的演算法自動更新系統，以提高效率並降低運行成本。

‧	單一控制介面
	用戶可以使用智慧型手機等裝置來管理網路。使用單一控制介面是較好的選擇，這樣一來，在網路內每添加一個新裝置或節點時，用戶無須學習不同的用戶介面。另外對於許多應用來說，安裝顯示器並不划算。另一個問題是，顯示器更新速度通常趕不上家電更新速度。出於以上種種原因，同時為了降低系統成本和複雜性，原始設備製造商探索如何使終端用戶管理其顯示器。

‧	易於使用
	若透過網路管理裝置，用戶就能夠從任何地方控制網路。故障發現和處理過程也大幅簡化。例如，洗碗機可以清楚描述何種操作失效或問題，而不是僅僅點亮幾盞發光二極體(LED)燈提示使用者出現錯誤。

須注意的是，通訊是機器與機器間直接發生的，無須用戶參與。傳統上，每個系統均是獨立工作，並利用有限的資料做出決策。與之不同，物聯網讓各系統共用資訊，最大限度地擴展各個系統最初設計時的能力和價值，各種應用的融合也使其發揮更好的工作效能。

梅特卡夫定律意味著各行各業迎接大好機會。保全公司可擴大其業務範圍，覆蓋到照明和家庭自動化市場，也能與信譽良好的照明和家庭自動化產品供應商合作，共同創造加值服務產品。物聯網讓電子元件供應商、軟體供應商、原始設備製造商和服務提供商專注於自己的核心競爭力，並利用合作關係帶來的優勢為消費者創造有吸引力的應用。

透過標準協定協同工作

若想讓物聯網運轉起來，所有裝置必須能夠無縫連接。然而，沒有一種無線或有線技術能夠有效地服務整個網路。為開發具有成本效益的產品，工程師必須為其應用選擇最佳的通訊通道和協定。因此，物聯網應用將建立在各種標準和私有協定的技術基礎上。

如果裝置要透過網際網路連接，須要支援IP並連入通訊通道。然而，在網路邊緣，IP能夠是一個相當大的全功能協定，即使簡單的應用也會造成較高的開銷和成本。類似情況的還有Wi-Fi，雖然Wi-Fi無處不在，但其消耗太多保存在電池或能量收集裝置中的能量。

連接的裝置要使用通訊協定，例如ZigBee和6LoWPAN，這些協定是羽量級的，其資料速率與需求相當。透過中央控制器連接到物聯網的裝置甚至可採用私有標準，前提是資料在透過閘道設備被傳遞到網際網路前被匯集並轉換成標準格式。

無線電技術與協定的組合是否理想取決於特定應用。有較高的資料速率要求時，例如傳輸視訊，Wi-Fi是合適的技術選擇；對於低頻寬且無須用戶直接干預的應用來說，2.4GHz的ZigBee和sub-GHz技術具有更低功耗的無線連接，更易於整合至嵌入式系統；對於簡單的應用，例如車庫門遙控開關或其他如灌溉系統般需要遠端連接的系統，採用sub-GHz無線電可能是最佳方式；若訴求雙向通訊、安全或需要在網狀網路中連接大量裝置，那麼採用ZigBee協定將能可靠實現。

採用網狀網路拓撲是許多物聯網應用的理想選擇。以家庭照明系統為例，其中燈和感測器的數量很容易超過三十個。Wi-Fi路由器可能無法覆蓋整個房屋，而網狀拓撲能夠可靠地覆蓋房屋的所有角落，且每個節點的成本最低。此外，網狀網路能自動配置新裝置，這樣可以使用系統已知的模式。

可擴展性同樣是一個重要因素。例如，藍牙(Bluetooth)限制同一個網路上僅能連接七個裝置，Wi-Fi限定為三十二個。但某些廠商如芯科實驗室(Silicon Labs)的EmberZNet Pro提供自我配置和自我修復的網狀連接特性，可以將數百個甚至數千個裝置連接到同一個網路。

由於「最後一吋」裝置通常執行有限的任務，其傾向於簡單的架構，專注於基礎資料收集、計算和連接功能。是否需要8位元或32位元微控制器，主要取決於執行的計算類型。相較於8位元微控制器，32位元微控制器的寬匯流排與先進周邊具有更快的資料移動和計算能力，因此裝置能夠更快返回休眠狀態，獲得更高的功效。

超低功耗MCU勢在必行

對於許多「最後一吋」的應用，例如遍布家中的監視和照明感測器，若安裝新的線路來為其提供電源，成本將遠高於裝置本身和執行的功能。因而，裝置須具備極好的功效，可利用電池或運行環境中的能量收集裝置進行供電。此外，即使在很難觸及的地方，裝置也要易於安裝，同時要在無電池替換或其他維護的情況下運行數年。

要滿足「最後一吋」裝置的供電需求，微控制器必須支援超低功耗操作，並且能夠方便地控制和連接。為了獲得卓越的功效，微控制器還要整合多種先進能力。例如，高效能的整合型直流對直流(DC-DC)降壓型轉換器具有高能效，並且允許元件一直運行到電池可提供的最低電壓。整合直流對直流降壓型轉換器的32位元微控制器如芯科實驗室32位元SiM3L1xx Precision32元件，與沒有降壓型轉換器的微控制器相比，前者的工作電流顯著降低40%(圖3)。

圖3　整合直流對直流降壓型轉換器的微控制器(右)，工作電流可比傳統微控制器(左)減少40%。

使用在物聯網邊緣裝置上的微控制器須要支援多個電壓域，這樣周邊即使在中央處理器(CPU)掉電時也能以不同的頻率自動運行。例如，直接記憶體存取(DMA)可用於收集感測器資料，並且只在整個緩衝區資料須要處理時喚醒中央處理器，可提供更大的休眠喚醒比與更高的功效。此種架構也針對快速待機狀態轉換，能夠在中央處理器喚醒期間減少功耗。

舉例來說，SiM3L1xx微控制器系列產品具備專用可編程的資料傳輸管理器(DTM)硬體模組，讓嵌入式開發人員能串連複雜任務並自動執行，而不依賴微控制器核心。在這種情況下，核心保持最低功耗狀態直到所有任務完成。DTM在無線傳輸中格外有用，例如在無線系統中原始資料透過無線電傳輸出去前，須要經過多個操作處理。微控制器須要加密原始資料、添加錯誤校正和編碼資料封包，並且透過一個或多個突發傳輸資料封包到序列介面，這個過程如圖4所示。

圖4　資料傳輸管理器提供無中央處理器干預的無線資料封包自動傳輸。

特定的應用電路能夠進一步減輕中央處理器負擔。例如，用於電表的整合型脈衝計數器可以在後台有效地測量脈衝串(Pulse Train)或液體流量，同時整合的電容觸控感應能力為具有使用者介面(UI)的裝置降低工作時間功耗。基於硬體的加速器能加速處理並且減少工作電流，例如專用封包處理引擎(DPPE)，可極大提高射頻(RF)訊息處理速度，並同時允許中央處理器在處理期間維持空閒狀態。

加速軟體與應用設計

在構建物聯網所需特性和能力的過程中，軟體所扮演的角色至關重要。硬體提供連接基礎，軟體須要實現底層的機器對機器(M2M)互動，確保裝置無論在怎樣的環境中都可以穩定可靠地運行。

無線連接的品質非常依賴操作環境，例如每個手機用戶都有過這樣的經歷--須要在房間內移動來獲得更好的訊號品質。但是，像恆溫器一類的裝置卻不能有任何移動。延遲也非常關鍵，如果100毫秒(ms)內沒有應答，大多數用戶將傾向於重新按鍵。

軟體可以確保無線網路可靠性，保證訊息已經接收並執行，例如燈泡確實打開了。軟體還確保開發人員實現更智慧和靈活的裝置，而後自行識別問題、提出異常並盡可能地解決問題，且無需人為干預。

開發人員還能夠透過軟體來實現先進的功能。舉例來說，僅僅遠端打開燈光還不夠，如果能告知用戶燈泡須要替換則作用更大。軟體擴展自動控制的潛在範圍，進一步提升性能和便利性。舉例來說，在智慧無線感測器網路，家居系統決定當室內無人時關閉電子裝置。如此簡單的操作卻能帶來巨大的改變，因為如果用於上億家庭，則能夠節約相當多的能源。

軟體還能做為網路和控制器的橋樑。例如，一些用戶喜歡透過智慧型手機控制家電和燈光，而某些人則可能喜歡透過平板電腦控制。軟體讓每個人自由選擇裝置和介面。靈活易用的軟體也為原始設備製造商提供機會，以區別於其他同類產品。

現實的情況是，目前正在向應用驅動的世界前進。雖然微控制器、感測器和無線連接可以形成物聯網的基礎，但是真正的創新發生在軟體技術。畢竟，有用的不是來自遍及房屋的感測器資料，而是能夠利用資料做些什麼。

物聯網的關鍵是互操作性和開放標準，使得多種裝置可以相互通訊。裝置間的通訊能力大幅地提高網路的價值，一旦網路基礎設施搭建完成，即可以極小成本獲取更多資訊和智慧。為了達到成熟水準，軟體要提供裝置和應用間共用的通用應用層，並且透過其提取硬體細節。由此，用於傳輸資料的底層技術變得無關緊要，開發人員可以自由地針對物聯網應用進行創新功能與應用開發。例如，由ZigBee聯盟開創的ZigBee標準，為連接設備製造商提供明確的方式，使其開發的產品基於標準，並具備互操作性和M2M通訊能力。ZigBee標準配置如ZigBee Smart Energy、ZigBee Home Automation、ZigBee Building Automation和ZigBee Light Link，可提供互操作平台，簡化物聯網應用的開發，包括智慧家居和商業樓宇、智慧照明控制系統等應用。

物聯網應用腳步加快

為幫助工程師更快的把物聯網裝置推向市場，半導體供應商提供各種先進的設計工具，例如為加速核心功能實現的應用資料庫、準備量產的範例應用、韌體開發工具、完整的通訊和無線電協定架構以及簡單的演示應用範例，例如如何透過網際網路連接智慧型手機和「最後一吋」裝置。

開發工具透過單一控制台提供整個網路的全貌，並建立雙向通道連接，以排除故障並跟蹤網路上的資料封包。專業無線開發工具也可為甚至沒有射頻設計經驗的開發人員建構高效能、可靠且具有成本效益的ZigBee和sub-GHz無線應用。透過使用各種開發板來評估連接性和不同協定性能，工程師可以同步設計與調試應用代碼和韌體、開始射頻設計和優化，並最終完成網路和協定架構開發。

裝置間能夠進行無縫通訊，並且無需人為干預，這個潮流已無法抵擋。物聯網將不斷開拓新市場，並為各個行業的原始設備製造商與應用開發者創造新的應用和機會。毫無疑問，物聯網正在快速擴展應用領域，例如智慧電表和智慧家電，並且已經在幾個市場中成功實現商業部署。

(本文作者為芯科實驗室Ember ZigBee解決方案總經理)